钢筋腐蚀电化学损伤的分数微分与元胞自动机识别方法

摘要

钢混结构是现今及以后长时间内仍将采用的主要结构型式之一,钢筋腐蚀是引起钢混结构耐久性降低的最主要原因。钢筋腐蚀的电化学本质决定了电化学理论是实现钢混结构腐蚀在线监测的直接、本质方法。基于电化学理论的钢混结构钢筋腐蚀监测的最终实现,还有待于突破腐蚀电化学特征识别方法中存在的关键科学问题,具体包括:均匀腐蚀监测中含弥散及扩散项复杂等效电路响应特征的时域整体、快速识别;局部点腐蚀监测中基于腐蚀电化学噪声(Electrochemical Noise,EN)本征信息的蚀点生长演化定量预测。
　　本文立足于结构健康监测的高度,采用理论研究、数值仿真与试验验证相结合,围绕钢混结构腐蚀电化学在线监测所存在的上述科学问题展开研究。首先,针对均匀腐蚀,基于复变函数逼近理论,建立腐蚀电化学系统传递函数的时域响应算法,探索瞬态恒电位阶跃激励下复杂等效电路中各元件对时域响应的影响;其次,采用分数微分(Fractional Derivative,FD)理论建立含弥散与扩散项复杂等效电路响应特征的时域整体、快速识别方法,进而结合复变函数逼近算法的结果,数值试验验证FD算法的准确性;第三,针对局部点腐蚀,应用小波能量谱(Wavelet Energy Spectroscopy,WES)算法,研究复杂环境耦合作用下钢筋点蚀EN的能量谱特性;最后,建立以EN实时监测信息为驱动力的蚀点生长演化三维元胞自动机(Cellular Automata,CA)预测方法,并通过三维超景深视频显微镜观测试验验证其准确性。
　　钢筋腐蚀监测势必为重大钢混结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的提出、基于性能的全寿命设计等提供坚实的科学依据。本文的研究结果,为重大钢混结构腐蚀在线监测的实现奠定了理论基础。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

第2章 钢混结构腐蚀电化学时域响应特征分析

2.1引言

2.2传递函数的建立

2.3时域响应复变函数逼近拟合算法的建立

2.4腐蚀电化学特征参数对时域响应的影响

2.5本章小结

第3章 基于分数微分的时域响应识别算法

3.1引言

3.2分数微分原理

3.3基于分数微分原理的等效电路时域响应算法

3.4数值试验

3.5本章小结

第4章 局部蚀点生长演化的三维元胞自动机预测方法

4.1引言

4.2复杂环境耦合作用下钢筋点蚀电化学噪声特征的识别方法

4.3钢筋局部点蚀生长演化三维元胞自动机定量预测

4.4三维元胞自动机软件系统

4.5超景深显微镜试验验证

4.6本章小结

结论

参考文献

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致谢